2004年11月A版

    由于低壓差分信號(hào)傳輸 (LVDS) 技術(shù)可以支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且功耗遠(yuǎn)比同類(lèi)技術(shù)低，因此漸漸成為廠商普遍采用的差分接口標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)上很多產(chǎn)品都需要在低功率的操作環(huán)境下進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，只要采用 LVDS 技術(shù)，便可確保所開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品能夠支持高達(dá)數(shù)百 Mpbs 的數(shù)據(jù)傳輸速度。

    我們現(xiàn)在甚至可以將 LVDS 技術(shù)整合到串行/解串器等集成電路之內(nèi)。這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)顯示，任何系統(tǒng)都可充分利用 LVDS 接口技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)可在芯片之間、插卡之間、機(jī)架到機(jī)架之間、機(jī)柜到機(jī)柜之間傳遞。雖然 LVDS 串行/解串器接口可以驅(qū)動(dòng)不同機(jī)架之間的連接電纜，但電纜的長(zhǎng)度受到一定的限制，一般短至只有幾英_ (芯片與芯片之間)，最長(zhǎng)則不超過(guò)幾米。但目前許多系統(tǒng)都需要加強(qiáng)長(zhǎng)距離傳送數(shù)據(jù)的能力，以確?？梢岳瞄L(zhǎng)達(dá) 100 米以上的電纜傳送數(shù)據(jù)。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，電纜加長(zhǎng)之后，他們便要解決多個(gè)長(zhǎng)距離傳送的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文主要討論如何擴(kuò)大 LVDS 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳送范圍，以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳送的要求，文中建議的辦法是采用高速串行數(shù)字接口(SDI)自適應(yīng)電纜均衡器及電纜驅(qū)動(dòng)器芯片。

系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸

    串行電纜傳送系統(tǒng)通常采用同軸電纜或雙絞線。無(wú)論采用什么類(lèi)型的電纜，信號(hào)在傳送過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)大幅衰減，衰減程度取決于數(shù)據(jù)傳輸率 (頻率) 及電纜長(zhǎng)度。經(jīng)由電纜傳送的低電壓差分信號(hào)也會(huì)同樣出現(xiàn)的衰減情況，因此這類(lèi)信號(hào)只適用于短距離的傳送。圖1  圖中所示的通信通道采用 10 位的 LVDS 串行/解串器以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動(dòng)器/均衡器芯片組驅(qū)動(dòng)經(jīng)由同軸電纜傳送的信號(hào)。

    系統(tǒng)若采用沒(méi)有信號(hào)調(diào)節(jié)功能的 LVDS 芯片，電纜的長(zhǎng)度一般不能超過(guò)幾米。但這些系統(tǒng)只要采用設(shè)有驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重功能和接收器均衡功能的 LVDS 集成電路，電纜的長(zhǎng)度便可長(zhǎng)達(dá) 15 至 20 米。采用 LVDS 接口芯片的系統(tǒng)如果必須進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳送 (數(shù)十米以至數(shù)百米)，便應(yīng)采用專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)電纜而設(shè)的芯片，并將之搭配 LVDS 芯片一起使用，以便互相支持。圖 1 所示的便是這類(lèi)系統(tǒng)的傳輸通道。

    這條傳輸通道采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 10 位的串行/解串器 (DS92LV1021A 和 DS92LV1212A) 以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動(dòng)器/均衡器芯片組 (CLC001 和 CLC012)。這組串行/解串器可以縮小連接器及電纜的體積，有助降低系統(tǒng)成本。此外，這組串行/解串器還可充分利用低電壓差分信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，例如卓越的抗噪音干擾能力、低功率操作、低電磁干擾、更寬松的退耦規(guī)定以及簡(jiǎn)單的終端設(shè)計(jì)。圖2  圖中所示的通信通道利用 10 位的 LVDS 串行/解串器以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動(dòng)器/均衡器芯片組驅(qū)動(dòng)經(jīng)由雙絞線電纜傳送的信號(hào)。

    經(jīng)由電纜長(zhǎng)距離傳送而來(lái)的信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，但只要采用串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動(dòng)器/接收器芯片組便可避免信號(hào)衰減。CLC012 是負(fù)責(zé)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的主要芯片，其主要工作是將經(jīng)由電纜傳送的信號(hào)均衡。在整個(gè)防止信號(hào)衰減的過(guò)程中，CLC012 芯片發(fā)揮極重要的作用。即使所用的電纜較長(zhǎng)，例如長(zhǎng)達(dá) 300 米的優(yōu)質(zhì)同軸電纜 (Belden 8281) 或長(zhǎng)達(dá) 120 米的 5 類(lèi)無(wú)屏蔽式雙絞線電纜 (這樣的長(zhǎng)度足以令所傳送的 200MHz 信號(hào)出現(xiàn) 40dB 的衰減)，均衡器芯片都可自動(dòng)為信號(hào)損耗提供補(bǔ)償。均衡器可為電纜損耗提供補(bǔ)償，使電纜傳來(lái)的串行數(shù)字信號(hào)可以重新組構(gòu)，恢復(fù)其原有強(qiáng)度。

    圖2 所示的是另一通信通道的結(jié)構(gòu)框圖，圖中所示的 10 位 LVDS 串行/解串器及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動(dòng)器/均衡器芯片組可通過(guò)雙絞線電纜傳送數(shù)據(jù)。除了采用的電纜有所不同之外，這條通道與圖 1 所示的通道只有一個(gè)分別，那就是 R1 至 R6 的電阻值。這些電阻值的大小經(jīng)由實(shí)驗(yàn)決定。我們只要調(diào)控電阻值，便可將信號(hào)調(diào)節(jié)至最理想的均衡狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖 1 及圖 2 所示的電路均利用相關(guān)芯片的評(píng)估套件組建，并曾利用誤碼率測(cè)試儀加以測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，這兩款電路在操作時(shí)并無(wú)誤碼出現(xiàn)。測(cè)試用的輸入信號(hào)是一條 10 位寬的偽隨機(jī)碼流 (PRBS-15)，并由 40 MHz 的時(shí)鐘 (DS92LV1021A TCLK) 加以鎖定。數(shù)據(jù)傳輸率相等于利用電纜傳送的 480 Mbps 傳輸速度。

    有一點(diǎn)我們需要留意：這兩個(gè)電路設(shè)計(jì)都利用交流耦合均將 CLC012 PECL 的輸出電平與 DS92LV1212A 接收器的 LVDS 電平隔離，對(duì)于直流均衡的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)設(shè)計(jì)非常適用。但對(duì)于直流非均衡的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上必須利用直流耦合將 CLC012 與 LVDS 接收器連接起來(lái)。PECL 與 LVDS 之間的接口需要衰減網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)衰減信號(hào)邊緣，以降低最高數(shù)據(jù)傳輸率。

    如何提高性能

    對(duì)于利用 LVDS 串行/解串器及串行數(shù)字接口芯片進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送的通道來(lái)說(shuō)，以下的幾個(gè)建議有助提高數(shù)據(jù)傳送的性能。

1. 應(yīng)按照電纜阻抗的大小為 CLC001 芯片提供適當(dāng)?shù)呢?fù)載。

2. 應(yīng)利用 CLC001 RREF 及 R1 至 R6 等電阻調(diào)控電纜內(nèi)各信號(hào)的電平，以便電纜可以發(fā)揮最高的均衡效果，以及為電纜提供適當(dāng)?shù)亩私印?

3. 應(yīng)按照 LVDS 接收器互連線路的阻抗大小為 CLC012 芯片提供適當(dāng)?shù)呢?fù)載。

4. 應(yīng)盡量服從印刷電路板的布局布局 -- 詳細(xì)規(guī)定可參考有關(guān)芯片的數(shù)據(jù)表。

5. 應(yīng)采用屏蔽雙絞線電纜，以便將串音減至最少。

6. 所采用的連接器必須能夠支持高達(dá)千兆位以上數(shù)據(jù)傳輸率，而且連接器阻抗必須可以調(diào)控

結(jié)語(yǔ)

    以上兩個(gè)電路應(yīng)用示例清楚顯示 LVDS 串行/解串器芯片組的優(yōu)點(diǎn)，即使信號(hào)需要傳送至幾十米以至兩百米以外的地方，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都可利用 LVDS 串行/解串器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這兩款電路都利用有關(guān)芯片的評(píng)估套件組建，而且都曾利用同軸及雙絞線電纜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示整個(gè)傳送過(guò)程沒(méi)有誤碼出現(xiàn)。

    美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的在線技術(shù)期刊 National Edge 設(shè)有技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中保存了多年來(lái)刊登過(guò)的應(yīng)用技術(shù)資料介紹及其他有用的資料，歡迎登入 edge.national.com 網(wǎng)頁(yè)查閱。